金屬抗磨自修復材料對球軸承壽命的影響

菅瑞雄，張偉，李興林 ，陳芳華

(1.上海寶鋼工業檢測公司，上海 201900；2.杭州軸承試驗研究中心，杭州 310022)

滾動軸承疲勞壽命受多因素綜合影響，除了提高軸承原材料質量、改進熱處理和加工工藝外，改善軸承潤滑性能，減少因滾動體與內、外圈之間的摩擦而造成的磨損也是延長軸承壽命的有效途徑之一，其中金屬抗磨自修復材料由于其特殊的潤滑機理，已經成為近年來國內、外滾動軸承摩擦學領域研究的熱點之一[1-2]。

1 金屬抗磨自修復材料

本試驗中使用的金屬抗磨自修復材料是主要由羥基硅酸鎂Mg3(Si2O5)(OH)4、硼B、稀土化合物、部分金屬及其氧化物等多種物質復合在一起的納米級潤滑材料。該材料添加到試驗軸承的潤滑油中后，以潤滑油為載體，在軸承轉動中對滾道和滾動體表面進行超精研磨、吸附清洗和表面修復，期間會在摩擦面間產生瞬時閃溫，促使抗磨自修復材料在催化劑、活化劑等作用下發生微燒結、微冶金等一系列物理和化學變化過程，最終在軸承摩擦副表面生成類金屬陶瓷修復層。該修復層具有較高的表面硬度和較低的表面粗糙度值，能顯著降低摩擦表面的摩擦系數，延長軸承疲勞壽命。

該修復技術是機械設備運行過程中的動態不解體修復技術，在我國機械設備維修領域已得到了廣泛應用，使用該技術不僅可大量節約電費，而且可有效延長設備使用壽命，減小故障率，為用戶實現安全生產提供有力保障。

2 試驗方案

2.1 試驗條件

ABLT-1A型滾動軸承疲勞壽命及可靠性強化試驗機；RPD型旋轉式鐵譜儀；OLYMPUS BX60型顯微鏡；6204深溝球軸承；N32#機械潤滑油；金屬抗磨自修復材料。具體試驗參數見表1，采用分組淘汰試驗法進行試驗[3]。

表1 試驗參數

2.2 試驗方法

試驗軸承失效按照GB/T 24607—2009《滾動軸承壽命及可靠性試驗及評定》中的規定進行評定。

(1)準備6臺ABLT-1A型壽命強化試驗機并編號，每臺試驗機均可放置新6204軸承各4套，各試驗機油箱徹底清洗后向其加注40 L新N32#機械油。在排除試驗機自身能耗差異(臺差)后，將6臺試驗機分為2組(1#～3#為一組，4#～6#為一組)，以保證2組試驗機在未加載前的工況基本相同。之后向4#～6#試驗機油箱內按10 mL/kg加注量加入金屬抗磨自修復材料(即1 kg潤滑油中加注10 ml金屬自修復材料)并作為試驗組；1#～3#試驗機不添加，作為空白對照組。

(2)同時開啟6臺ABLT-1A型壽命強化試驗機并設置相同的試驗條件，連續運轉直至每臺試驗機上任何一套軸承破壞即該試驗機報警停機，則軸承壽命試驗結束。考慮到油箱中潤滑油有限，試驗的全過程中取油樣5次，每次300 mL。

(3)試驗完畢后，對試驗油樣進行理化、振動和磨損分析，確定該金屬抗磨自修復材料對潤滑油理化性能、軸承振動以及軸承摩擦磨損性能的影響。

3 試驗結果分析

3.1 理化分析

以石油產品國家標準GB 11120—89《L-TSA汽輪機油》和GB 11118.1—94《礦物油型和合成烴型液壓油》中的技術要求作為判斷標準，同時把添加修復材料的潤滑油與試驗用N32#機械油新油以及未添加修復材料的潤滑油比較，理化指標測試方法及分析結果見表2。由表2可知，添加修復材料后潤滑油的核心質量指標較新油以及未添加修復材料的潤滑油變化不大，且均在正常范圍之內，說明該金屬抗磨自修復材料對本次試驗所用潤滑油理化性能無明顯影響[4]。

表2 理化指標分析結果

3.2 振動分析

軸承振動數據記錄結果如圖1所示，每間隔24 h記錄1次，其中1#～3#試驗機分別于第32次、第22次、第24次記錄前達到報警設定值而停機，軸承疲勞壽命試驗結束。而4#～6#試驗機在達到1#～3#試驗機平均壽命2倍時仍處于穩定運行狀態，軸承未發生疲勞剝落，且振動值均未出現較大波動，說明金屬抗磨自修復材料對降低軸承振動值、延長軸承壽命具有明顯的改善作用。考慮到已達到試驗目的，在4#～6#試驗機軸承達到1#～3#試驗機軸承平均壽命2倍時終止了該試驗，由于4#～6#試驗機的后期振動值一直保持平穩狀態，故記錄次數只取到41，之后的振動值未列出。各臺試驗機運行時間見表3。

圖1 振動變化趨勢圖

表3 試驗機運行時間表

3.3 磨損分析

以油樣中分離出的磨損顆粒為對象，借助儀器檢驗分析磨損顆粒的形貌、大小、數目和成分，從而對設備的磨損狀態進行分析判斷[5-6]。由圖2～圖4可知，潤滑油中未添加修復材料的試驗機已經出現了較多球狀磨粒，說明軸承發生了很嚴重的疲勞磨損。由圖5～圖7可知，潤滑油中添加修復材料的試驗機處于較為正常的磨損狀態，其中5#機磨粒較多。由圖6可知，5#機以正常的小尺寸滑動磨粒為主，沒有出現軸承由于疲勞而產生的特征磨粒。由圖1可知，5#機振動值雖然較大，但一直保持平穩，未發生報警停機，這與機體自身振動較大有關，符合軸承疲勞壽命試驗評價標準，故5#機處于正常運行狀態，說明該金屬抗磨自修復材料對軸承起到了減磨和修復作用，提高了滾動表面的耐磨性，延長了軸承使用壽命[7-9]。

圖2 1#機磨粒

圖3 2#機球狀磨粒

圖4 3#機球狀磨粒

圖5 4#機磨粒

圖6 5#機正常磨粒

圖7 6#機磨粒

4 結束語

通過理化試驗可知，該金屬抗磨自修復材料對潤滑油核心理化指標無明顯影響；通過對試驗軸承運行振動值和疲勞壽命進行考察可知，添加金屬抗磨自修復材料后軸承的振動值保持穩定，軸承的運行可靠性和疲勞壽命得到顯著提高；通過磨損圖譜分析可知，單一運用金屬抗磨自修復材料作為潤滑油中的添加劑，可明顯改善軸承的摩擦磨損性能。

綜上所述，金屬抗磨自修復材料在不影響試驗軸承用油理化性能的情況下，明顯改善了軸承運行狀態，延長軸承使用壽命1倍以上。